燃烧设备的基本原理
Zeeco, Inc. 的 Sreeram Krishnan 探讨了 液化天然气行业中燃烧设备的安全系统。
无论所属行业如何，全球大多数运营设施中都能找到燃烧设备。从技术上讲，燃烧设备是指任何通过燃烧燃料来产生热量或能量的装置。本文将重点探讨液化天然气（LNG）行业中常作为安全、工艺或排放控制装置使用的三类燃烧设备：火炬、焚烧炉和燃烧式加热器。 这些燃烧设备均可应用于液化天然气（LNG）行业的多种场景，涵盖从上游天然气生产和液化，到下游运输、储存及再气化等环节。尽管用途广泛，但燃烧设备在任何生产设施中往往被视为较为专业且复杂的装置之一。
尽管如此，其基本设计原理其实非常简单。就连“火烧设备”这个名称也相当直白——顾名思义，就是利用火来驱动设备。
尽管在工厂运营和维护领域，“火”一词可能带有负面含义，但燃油设备系统却是任何运营设施中最安全的装置之一。 本文将探讨液化天然气（LNG）行业中，在火炬、焚烧炉和燃烧式加热器设计中通常采用的具体工程规范、标准及安全特性。能够区分这三类主要的燃烧设备也至关重要，因此本文将重点阐述它们之间的异同。尽管它们的应用场景相似，但这些燃烧设备在整体设计、性能和运行方面存在差异。
火炬
夜间驾车经过液化天然气（LNG）工厂时，可能会看到一簇看似悬浮在空中的红黄色火焰——这簇火焰的来源很可能是高处的火炬。
在全球各地的石化厂和液化天然气（LNG）设施中，可以见到种类繁多的火炬 。不过，最常见的仍是高架火炬、多点地面火炬（MPGF）和封闭式地面火炬（EGF）。总体而言，与焚烧炉或燃烧加热器相比，火炬被认为是最具响应性且用途最广泛的燃烧设备。 火炬具有显著更高的调节比，还能以98%或更高的销毁销毁去除率（DRE）燃烧并销毁突然产生的大量易挥发气体或液体。正因如此，火炬通常被用作液化天然气工厂或运营设施中的备用或应急泄压装置，以保护工厂资产和人员安全。
火炬 必须考虑两个关键的设计特征火炬 连续吹扫以及安全可靠的 Pilot 和点火系统。必须通过火炬 汇管管道持续吹扫氮气或燃料气，以防止氧气渗入，否则可能会导致高度易燃气体在火炬 意外积聚。火炬引火装置点燃了这些气体，可能会发生回火或爆炸事故，给工厂人员和周围设备带来额外风险。安全可靠的引火和点火系统与火炬连续吹扫同样重要，因为引火系统能确保引火火焰始终保持连续稳定。 如果引火火焰熄灭且发生紧急火炬燃烧事件，上游工艺产生的有害废气蒸气可能会未经充分燃烧和销毁就直接排放到大气中。这些蒸气可能具有高度爆炸性和毒性，从而给工厂人员和附近居民带来额外的安全风险。
为了防止熄火，ZEECO®火炬 是在全球最恶劣的天气条件下研发和测试的，以确保它们能够随时产生并维持持续稳定的火焰——即使在飓风级别的强风和暴雨中也不例外。 热电偶和 ZEECO VerifEye™ 系统等火焰检测设备最常用于检测和确认火炬引火火焰的存在。此外，还可以使用 ZEECO FlareGuardian™ 和 ViZion™ 等更复杂的设备来检测火炬引火火焰和主火焰。这些设备还能监测和控制燃烧效率和烟雾不透明度等关键性能指标。
火炬 通常还会火炬 一套经认证可在I类II区危险区域内使用的点火和控制系统，该系统按照API-521和537标准设计，为工厂人员提供本安型点火和操作设备的方法。 此外，还可以将其他安全装置（如爆轰或可燃阻火器）纳入火炬 设计中。不过，这些装置的重要性不如前文所述的其他装置。尽管如此，仍需根据火炬 具体工艺和供气条件，评估这些装置的整体必要性。
图1。 典型的应急泄压火炬系统。
焚烧炉/热氧化炉
人们常疑惑焚烧炉与热氧化器之间是否存在区别，但这两个术语实际上是互换使用的，用来描述同一类燃烧设备。在光天化日之下，要辨认出焚烧炉已非易事，更不用说在夜间了。与高架火炬中裸露的火焰不同，焚烧炉的火焰是封闭的，运行时从外部无法看到，因此在任何炼油厂或液化天然气工厂内都很难将其辨别出来。
火炬 加热器相比，焚烧炉通常被视为最复杂且高度自动化的燃烧设备。虽然焚烧炉的响应速度不如火炬它们能够以极高的温度燃烧并销毁多种持续产生的气体或液体进料流，从而实现高达99.9999%甚至更高的惊人废物焚烧率（DRE）。 焚烧炉通常还配备符合NFPA-86标准的控制与仪表系统，以及带可编程逻辑控制器（PLC）的燃烧器管理系统（BMS），该系统负责控制设备的吹扫、点火、升温、废料引入和停机序列。 NFPA-86标准对焚烧炉的作用，与API-537标准对火炬的作用相同——为工厂人员提供本质安全且简便的操作方法，使其在操作设备时无需承担额外风险。
NFPA-86 规定的一项最为关键的安全功能是点火前吹扫，该功能可在点火前将焚烧炉中的潜在可燃化合物清除干净。 火焰检测器是一种常见的安全装置，用于在点火期间及废料投入后验证 Pilot 火焰和主燃烧器火焰是否存在。鼓风机/风扇运行信号、燃烧空气流量开关以及设定点温度和燃料压力跳闸保护，也是由 NFPA-86 规范所规定的关键安全功能，通常被集成到焚烧炉的楼宇管理系统（BMS）中，以进一步确保人员和设备的安全。
全球规模最大、结构最复杂的焚烧系统中，部分就位于天然气液化厂内。这些系统可配备多种后燃烧处理装置，使焚烧炉能够满足更严格的二氧化硫（SOX）、氮氧化物（NOX）和一氧化碳（CO）排放许可要求。 此外，这些系统通常还会配备余热回收装置（WHRU），利用焚烧炉产生的热烟气来降低总体燃料消耗，并为下游液化天然气（LNG）工艺提供所需的能源。
复杂的焚烧系统虽能为终端用户带来诸多益处，但同时也伴随着一定的代价。规模更大、种类更丰富的设备组合通常需遵循更严格的工程规范和标准，以进一步确保人员和设备的安全；正因如此，在完成工艺危害分析（PHA）或危害与可操作性研究（HAZOP）后，这些系统通常会被划分为安全完整性等级（SIL）2或3。 后燃烧处理装置和废热回收装置（WHRU）通常会导致内部静态运行压力和设计压力升高，这通常需要更严格的机械和结构设计标准，例如《美国机械工程师协会规范》（ASME）第VIII节和第I节设计规范中列出的标准。 此外，这些系统中的鼓风机/风扇通常按API-560或673标准进行设计，这些标准要求在设计流量和压力方面留有更高的裕度，并需要额外的仪表设备用于监测和控制。请注意，虽然这些设计规范和标准并不一定适用于液化天然气行业内的所有复杂焚烧系统，但每个系统都应根据其具体应用和运行情况进行评估。
图2。 配备酸性气体和空气预热器（WHRU）的复杂焚烧系统。
燃煤取暖器
燃烧式加热器在设计和整体复杂程度上与焚烧炉非常相似，也常用于液化天然气（LNG）的下游工艺，例如乙二醇脱水和再气化。
此类燃烧设备在辐射段内燃烧燃料，产生高温烟气，这些烟气将热量传递给对流段内的一系列管束或盘管。这些盘管中通常含有液体传热介质（如 Therminol®），该介质最终被输送到下游的各种液化天然气（LNG）工艺中。 燃气加热器也可燃烧其他工艺产生的废副产品，但与焚烧炉不同，其通常仅限于处理一种放热性废气，且该废气产生的热量最多仅占系统总热释放量的约10%。此设计旨在确保燃烧器火焰始终保持连续且稳定。 燃烧式加热器出口处的烟气以99.9%或更高的烟气脱硫率（DRE）排放至大气中；与焚烧炉类似，燃烧式加热器也可配备选择性催化还原装置，以进一步降低NOX 排放。
燃油加热器通常按照API-560标准设计，并通常配备符合NFPA-87标准的控制与仪表系统以及BMS PLC。尽管NFPA-87专门针对燃油加热器，但它与NFPA-86相似——两者都涉及相同的一般操作流程和安全要求，只是存在一些细微差别。 接触式热电偶是常安装在燃火加热器管束上的附加安全装置。这些装置用于监测管束温度，以防止管束过热或破裂，从而避免导致危险烃类物质的不安全且非计划性释放。 差压变送器也可出于类似原因使用——它们能降低火烧式加热器壳体内部发生超压事件的总体概率，从而避免导致危险烃类物质的非计划性释放。
可在燃烧式加热器的楼宇管理系统（BMS）中集成额外的控制和仪表设备，以进一步确保人员和设备的安全。例如，可将氧气分析仪用作微调控制装置，以确保设备内部始终维持最低氧气浓度（通常≥3 vol. %）。 此外，还可安装可燃物和/或甲烷分析仪，以监测烟气中的挥发性有机化合物浓度，从而防止危险烃类物质的潜在释放、积聚或点燃。这些功能不仅适用于燃火加热器，也可在焚烧系统中用于实现相同的一般目的。
图3。 典型的直燃式加热器组件。
总结
火虽然危险，但这并不意味着燃气设备本身也具有危险性。选择一家值得信赖的设计与制造合作伙伴，可以让这一决策变得不那么令人望而却步，例如Zeeco的专家团队，他们在设计定制火炬、焚烧炉和燃气加热器方面拥有近50年的经验。
这些设备每天都在全球无数个生产设施中安全运行。它们不仅是极其高效的排放控制设备，还能用于生产或回收供下游工艺使用的能源，从而为终端用户带来额外收益。
